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预应力锚索抗滑桩设计与施工技术研究

硕士研究生读书报告

题目预应力锚索抗滑桩设计与施工技术研究

姓名

专业班级

任课教师

2015年6月1日

预应力锚索抗滑桩设计与施工技术研究

摘要：

随着我国基础建设的蓬勃发展，边坡的有效治理是工程实践中经常遇到的问题。

边坡治理措施主要有挡土墙、抗滑桩、锚索及预应力锚索抗滑桩。

预应力锚索桩是一种采用锚索和桩共同受力来抵抗滑坡推力的一种新型支挡结构。

它能变一般抗滑桩的被动抗滑结构为主动抗滑结构，改善悬臂式抗滑桩不合理的受力状态。

因此，预应力锚索抗滑桩的作用机理、计算理论、施工设计有待作进一步研究。

关键词：

边坡；支挡结构；预应力锚索抗滑桩；作用机理；计算理论；施工设计

中图分类号：

U418.52文献标志码：

A文章编号：

0000-0000（2015）00-0000-00

Researchondesignandconstructiontechnologyofpre-stressedanchoranti-slidepiles

Abstract:

Alongwiththevigorousdevelopmentofthefoundationconstruction,theeffectivemanagementoftheslopeisaproblemoftenencounteredintheengineeringpractice.Thecontrolmeasuresofslopemainlyincluderetainingwall,antislidepile,anchorcableandpre-stressedanchoranti-slidepiles.Thepre-stressedanchoranti-slidepilesisanewtypeofstructurewhichcanresistthelandslidethrustbythecableandthepiles.Itcanbecomeageneralantislidingpilesofpassiveantislidestructureforactiveantislipstructureandimprovethecantileverantislidepileunreasonablestressstate.Therefore,themechanism、thecalculatingtheoryandconstructiondesignofthepre-stressedanchoranti-slidepilesneedtobefurtherstudied.

Keywords:

slope;supportingandretainingstructure;pre-stressedanchoranti-slidepiles;mechanism;calculationtheory;constructiondesign

1预应力锚索桩的国内外研究动态及发展趋势

1.1国外研究动态

19世纪中期，欧美国家就开始了对滑坡灾害防治措施的研究，但由于早期人们对滑坡性质和变化规律认识不深，对那些大、中型滑坡只能绕避，只对一些小型滑坡采取刷方减载、反压、以及抗滑挡土墙进行治理。

第二次世界大战结束后，随着各国经济的发展和国土资源开发利用，遇到的滑坡也越来越多，用人为支挡工程治理大量滑坡才真正开始。

60-70年代，在以应用排水工程和抗滑挡土墙为主的同时，大力开发应用抗滑桩工程，以解决抗滑挡土墙施工中的困难，1964年，英国铁路某处滑坡造成山体与挡土墙一起滑动，当采用抗滑桩对其进行加固后，随即达到稳定；70年代后期，在日本开始应用直径1.5-3.5m的挖孔抗滑桩[1]。

从20世纪80年代开始，在小直径抗滑桩应用的同时，为治理大型滑坡，大直径挖孔抗滑桩开始使用。

在滑坡治理方面的国外研究多侧重于被动桩，对于承受土体侧向位移的被动桩，多侧重于土坡变形作用到桩体上的情况，尤其是对于海港工程、堤坝工程中承受软粘土变形的被动桩研究较多[2-4]。

对于承受土体水平位移桩和桩群的设计计算，己提出了许多方法，并进一步将现有计算方法总结为压力法、位移法和有限差分法。

同时在抗滑桩计算分析方面，国外一些研究主要针对软土、堤坝工程，坡体被认为是一种理想弹性或者塑性材料，作用于抗滑桩上的荷载较难确定，这些经验和方法适用范围比较有限。

虽然提出了一些计算抗滑桩上作用的极限土压力的方法，但一般而言，抗滑桩支护坡体未必满足这些相应的极限条件，而只能作为一种控制设计方法进行验算。

而对于预应力锚索抗滑桩这种新型的主动受力抗滑支挡结构，国外的研究资料更是匿乏。

1.2国内研究动态

我国对滑坡灾害的系统研究和治理是从50年代才开始。

根据我国国情研究开发了一系列有效的防治措施，总结出绕避、排水、支挡、减重、反压等治理滑坡的方法。

我国对抗滑支挡结构的研究和开发应用起步虽较国外晚，但其发展过程是比较迅速的。

从50年代开始，我国多用挡土墙结构治理滑坡，这种支挡结构无论从理论还是施工方法上，都是既不合理也不经济的，而且只能治理小规模滑坡。

用重力式抗滑挡土墙治理大型滑坡往往工程浩大，施工困难，虽然总结了“分段跳槽开挖基坑”的施工经验，有时还会造成滑坡加速滑动，危及施工安全。

在60年代和70年代发展和完善了悬臂抗滑桩结构，由于抗滑桩具有比挡土墙开挖面小、施工速度快、工程量明显少等优点，很快在铁路内、外滑坡治理中被广泛应用，在治理大、中型滑坡中几乎取代了抗滑挡土墙。

抗滑桩在治理滑坡方面有其独特的优点，但随着滑坡规模的增大、滑坡推力的增加，抗滑桩截面面积、埋深及总长度也越来越大，这就暴露出这种结构受力的不合理性，进而造成材料消耗量的浪费、施工进度减慢以及施工人员安全遭到威胁的可能性增大，人们便逐渐认识到其结构的缺陷：

抗滑桩是大悬臂受力，主要是靠滑动面以下的桩身所受的地基反力来平衡滑坡推力，受力机制不合理，需要的桩截面大，材料消耗多，工程造价昂贵，为改善抗滑桩的受力状况，减小桩截面尺寸，缩短悬臂长度，增大抵抗力矩，工程技术人员不断研究新的抗滑支挡结构。

80年代以来，随锚索技术的发展，在滑坡防治工程中开始采用锚索工程。

由于锚索是用高强度钢丝束锚固于滑体以下的滑床中，抗拉力大，预应力锚索变一般支挡结构物的被动受力为主动受力，对滑体扰动比较小，又是机械化施工，所以应用前景广阔。

80年代后期出现和发展了一种新型抗滑结构—预应力锚索抗滑桩。

在抗滑桩理论研究、发展现状的基础上，国内外不少学者对预应力锚索抗滑桩的设计计算方法等进行了研究。

程军勇[5]、周德培[6]、戴自航[7-8]、田景贵[9]、邹兴普[10]、余振锡[11]、申益民[12]、桂树强[13]、刘小丽[14]等都对预应力锚索抗滑桩设计计算进行过分析研究。

总之，目前预应力锚索抗滑桩设计计算方法大致可分为两类，即不考虑锚索与抗滑桩的协调变形和考虑锚索与抗滑桩协调变形的方法，由于后者的合理性，预应力锚索抗滑桩的计算趋向于采用后者。

国内外对抗滑桩的数值模拟研究较多，唐志成、徐良德[15]采用有限元法进行了抗滑桩非线性分析，高永涛[16]等利用FLAC软件进行了抗滑桩的二维模拟，Jinohwon等[17]及GR.Martin等[18]采用FLAC软件进行了抗滑桩三维模拟。

2预应力锚索桩的基本组成

预应力锚索桩是一种采用锚索和桩共同受力来抵抗滑坡推力的一种新型支挡结构。

图1预应力锚索桩示意图

2.1预应力锚索

预应力锚索是指由钻孔穿过滑动面，把一端锚固在坚硬的岩层中，然后在另一个自由端进行张拉，从而对岩层施加压力锚固不稳定岩体的方法。

锚索结构一般由内锚头、外锚头和锚索体三部分组成。

预应力锚索结构形式主要有：

全长粘结型预应力锚索、压力分散型锚索、拉力型非粘结锚索、拉力分散型预应力锚索、拉压复合型预应力锚索等，见图2~6。

图2全长粘结型预应力锚索

图3压力分散型锚索

图4拉力型非粘结锚索

图5拉力型非粘结锚索

图6拉压复合型预应力锚索

2.2抗滑桩

抗滑桩是穿过滑坡体深入于滑床的桩柱，用以支挡滑体的滑动力，起稳定边坡作用，适用于浅层和中厚层滑坡，是一种抗滑处理的主要措施。

其基本原理是通过桩身将上部承受的坡体推力传递给桩下部的侧向土体或岩体，依靠桩下部的侧向阻力来承担边坡的下推力，而使滑坡保持平衡或稳定，见图7。

图7抗滑桩工作原理示意图

根据滑体厚薄、推力大小、防水要求及施工条件等选用木桩、钢桩、混凝土及钢筋混凝土桩；按照抗滑桩断面形式可分为椅式抗滑桩、门式抗滑桩及排架式抗滑桩，如图8所示。

椅式抗滑桩门式抗滑桩排架式抗滑桩

预应力锚索抗滑桩

图8抗滑桩的类型示意图

3预应力锚索桩的作用机理及特点

预应力锚索桩由锚索和锚固桩组成，利用钻孔灌注或支模浇筑成桩，在桩上设置一排或多排锚索，并对锚索施加张拉力，使桩的变形受到约束。

将桩通过锚索锚固在稳定的基岩中，以达到阻止边坡滑动的目的。

其作用机理主要是：

在普通抗滑桩的桩顶或桩身一定位置设置一排或多排预应力锚索，借助于锚索提供的锚固力和抗滑桩提供的阻滑力，并由二者组成的桩—锚支挡体系共同阻挡滑坡的下滑。

其基本结构型式见图9。

当该结构处于凌空面时，可在桩间增加挡板使其成为一个外观宏伟的板墙[19]。

图9预应力锚索桩结构体系示意图

预应力锚索桩相对于普通抗滑桩支挡结构而言，其受力状态更加合理。

普通抗滑桩一般来说其力学模式类似于锚固于滑床中的悬臂梁。

按这种力学模式计算后，桩身弯矩、剪力都相对较大，由此造成桩身截面尺寸很大，配筋量也十分可观。

在桩顶或桩顶下一定位置设置一排或多排预应力锚索后，桩身受力状况大大改善，其基本力学模式可等价于简支梁或其它超静定结构。

随着约束增加，桩位移控制相对容易许多，进而其桩身内力也一定程度上大大降低。

简言之，预应力锚索抗滑桩变一般抗滑桩的被动抗滑结构为主动抗滑结构。

一般按照预应力锚索桩与所保护建筑物的相对位置对预应力锚索桩进行分类，可分为三种类型：

路堑式、路堤式和路肩式，如图10所示。

路堑式预应力锚索桩路堤式预应力锚索桩

路肩式预应力锚索桩

图10三种预应力锚索桩示意图

预应力锚索抗滑桩与传统抗滑桩相比有如下优点：

（1）锚索桩改变了传统抗滑桩被动的悬臂梁式受力状态，大幅度减小了桩身内力、桩横截面面积和埋置深度，节省了原材料，降低了造价，经济效益十分显著；

（2）锚索桩改变了抗滑桩受力机制。

传统抗滑桩为被动式支挡结构，即只有在滑体发生位移后，滑坡推力作用在桩上，使桩产生抵抗力矩时，才能阻止滑坡体迸一步滑动。

而预应力锚索抗滑桩则为主动受力结构，预先通过锚索给滑体施加一个预应力，提高了滑体稳定性；

（3）预应力锚索抗滑桩还可与其他加固方式结合，如格栅状梁体系通过锚索设于交点处联成整体组成一个加固支挡体系，同时起到深浅部共同加固作用；预应力锚索抗滑桩解决了滑体压缩造成预应力损失问题，并发挥了抗滑桩和预应力锚索两者的优点，无论对（岩）土质滑坡都是适用的。

4预应力锚索抗滑桩的计算理论

关于抗滑桩的计算，早期是按单纯的剪力计算，后来发展为静力平衡法和布鲁姆法，目前常用的方法是弹性地基梁法。

弹性地基梁法基本上是按弹性桩和刚性桩两种模式采用地基系数法进行计算。

弹性桩模式计算多采用“m”法和“k”法以及无量纲系数法；而刚性桩模式则多采用角变位法和无量纲系数法。

4.1普通抗滑桩设计计算理论

目前，普通抗滑桩的设计计算一般都以作用于桩上的荷载为已知条件，然后进行桩的内力计算。

桩与岩土相互作用力学计算模型一般采用线弹性Winkler地基梁模型，将土层看作符合Wiknler假定的弹性地基，而抗滑桩被看作弹性地基梁迸行计算。

根据对滑动面以上桩前土体作用处理方式的不同，可将抗滑桩的计算方法分为悬臂桩法和地基系数法两种[20-23]：

（1）悬臂桩法模型：

将滑动面以上的桩身所承受的滑坡推力和桩前滑体所产生的剩余抗滑力或被动土压力视为己知外力，并假定两力分布规律相同，将此两力作为作用在滑动面以上桩身的设计荷载。

然后根据滑动面以下岩、土的地基系数计算锚固段桩壁应力以及桩身各截面变位、内力。

桩计算图式，相当于锚固在滑动面以下的悬臂结构，故称为悬臂桩计算法。

（2）地基系数法模型：

地基系数法计算时只把滑面以上作用于桩身滑坡推力当作已知荷载，整个抗滑桩都被看作弹性地基梁进行计算，如果桩前抗力比剩余抗滑力或者被动土压力大，则必须用剩余抗滑力或被动土压力代替地基抗力。

在选定计算方法后，一般根据桩的挠曲微分方程，通过初参数法或无量纲系数法进行桩内力和变形计算。

4.2预应力锚索抗滑桩计算理论

预应力锚索抗滑桩用于整治滑动面较深，且滑坡推力大的大型滑坡。

它的设置应保证滑体不越过桩顶，或从桩间滑走。

由于桩顶锚索的约束作用，预应力锚索桩主动向滑坡施加作用力，限制滑坡位移，可以迅速稳定滑体。

目前关于预应力锚索抗滑桩的计算根据是否考虑锚索与桩的协调变形分为两种。

（1）第1种方法是将锚索拉力和滑坡推力直接作用在抗滑桩上，滑面以上按结构静力问题计算，滑面以下按winkler弹性地基梁计算。

此方法未考虑锚索与抗滑桩的变形协调，认为锚索的拉力就是施加的预应力，在工作过程中无损失，其值保持不变。

这种方法比较简单，但和实际情况相差较大；

（2）第2种方法也是将锚索拉力和滑坡推力作为荷载，但在计算过程中考虑了锚索与桩的协调变形，因此锚索的拉力是变化的，即考虑了锚索在工作过程中的应力损失。

这一方法较第一种方法理论上比较合理。

图11第1种计算方法模型示意图图12第2种计算方法模型示意图

5预应力锚索桩的设计

预应力锚索桩的设计主要包括预应力锚索的设计和锚索抗滑桩的设计。

锚索设计主要是指锚索锚固力、锚索间距、锚固段长度的确定，而锚索抗滑桩的计算主要指抗滑桩在锚索拉力和滑坡推力作用下的内力和位移[24-28]。

5.1滑坡下滑力计算

（1）滑面为单一滑面

如图13所示，对一般散体结构或破碎状结构的坡体，开挖后容易出现这种滑面。

由于土中粘聚力c较小，计算时可忽略c值，而采用滑面上的综合内摩擦角φ值。

其稳定系数：

（1）

式中：

β—滑面倾角（°）；

φ—滑动面内摩擦角（°）。

于是，滑体△ABC产生下滑力：

（2）

式中：

F—滑坡下滑力力；

W—滑体△ABC自重力；

K—设计所需安全系数。

图13滑面为单一平面滑坡

（2）滑面为一圆弧

如图14所示，这种滑面常产生于有粘性土及含粘性土较多的堆积土组成的坡体地段。

其稳定系数：

（3）

式中：

∑N—作用于滑面上法向力之和；

∑T—作用于滑面上滑动力之和；

∑R—反倾抗滑部分的阻滑力之和；

∑cl—沿滑面各段单位粘结力c与滑面长l乘积的阻力之和；

φ—滑动面内摩擦角（°）。

为此，滑坡下滑力为：

（4）

图14滑面为一圆弧面滑坡

（3）滑面由许多平面呈折线形连接而成

如图15所示，可将滑面划分为许多段，一般每一折线为一段，在滑面为曲线时则按等间距分段，以每段曲线之弦代表该段滑面的倾斜。

其稳定系数为：

（5）

为此，滑坡下滑力为：

（6）

图15滑面呈折线形滑坡

依据规范《铁路路基支档结构设计规范》TB10025-2001，采用传递系数法计算边坡下滑推力，公式如下：

（7）

。

式中：

Fi—第i块滑体末端的剩余下滑力；

Fi-1—第i块滑体的上一块i-1块的剩余下滑力；

Ψi—传递系数；

Fst—滑坡推力安全系数；

Wi—第i块滑体重力；

ci、φi—第i块滑体粘聚力（kPa）和内摩擦角（°）；

li—第i块滑体滑动面长度

5.2预应力锚索设计

5.2.1锚索锚固力的确定

预应力锚索设计时，宜采用锚索预应力的方法计算，通过边坡稳定性分析、计算滑坡的下滑力来确定锚固力，见图16，计算可按下式：

（8）

式中：

F—滑坡下滑力（kN）；

Pt—设计锚固力（kN）；

φ—滑动面内摩擦角（°）；

α—锚索与滑动面相交处滑动面倾角（°）；

β—锚索与水平面的夹角，以下倾为宜，不宜大于45°，一般为15°~30°；

λ—折减系数，与边坡岩性及加固厚度有关，在0~1之间取值，岩性越松散，λ值越低。

图16预应力锚索锚固力计算示意图

设计锚固力Pt应小于容许锚固力Pa，即Pt≤Pa，对于锚固钢材容许荷载应满足表1的要求。

表1锚固钢材容许荷载

项目

永久性锚固

临时性锚固

设计荷载作用时

Pa≤0.6Pu或0.75Py

Pa≤0.65Pu或0.8Py

张拉预应力时

Pat≤0.7Pu或0.85Py

Pat≤0.7Pu或0.85Py

预应力锁定中

Pai≤0.8Pu或0.9Py

Pai≤0.8Pu或0.9Py

注：

Pu为极限张拉荷载（KN），Py为屈服荷载（kN）。

根据每孔锚索设计锚固力Pt和所选用的钢绞线强度，可按（9）式计算每孔锚索钢绞线的根数n。

（9）

式中：

FS1—安全系数，取1.7~2.0，高腐蚀地层中取大值；

Pu—锚固钢材极限张拉荷载。

对于永久性锚固结构，设计中应考虑预应力钢材松弛损失及被锚固岩（土）体蠕变的影响，决定锚索的补充张拉力。

5.2.2锚索拉力的确定

锚索桩结构计算图如图17所示[29]。

图17锚索桩结构计算简图

假定桩上设置n排锚索，则桩为n次超静定结构。

桩锚固段顶端O点处桩的弯矩M0及剪力Q0计算如下：

（10）

由位移变形协调原理，每根锚索伸长量△i与该锚索所在点桩的位移fi相等，建立位移平衡方程。

（11）

（12）

（13）

式中：

x0、φ0—分别为桩锚固段在桩顶O点处桩的位移（m）、转角（rad）；

Δiq、Δij—分别为滑坡推力、其他层锚索拉力Rj作用于i点桩的位移（m）；

Ri0—第i根锚索的初始预应力（kN）；

δi—第i根锚索的柔度系数，即单位力作用下锚索的弹性伸长量（m/N）。

（14）

当滑坡推力为梯形分布时，在其作用下，i点桩的位移为：

（15）

（16）

（17）

（18）

δij为第j根锚索拉力Rj作用于桩上i点的位移系数，可由结构力学中有关计算公式确定。

当j≥i则

当j＜i则

由地基系数法（简化为多层“K”法），可计算确定x0、φ0。

（19）

（20）

式中：

E、I—别为桩的弹性模量（kPa），截面惯性矩（m4）；

β—桩的变形系数（m-1）；

Φ1、Φ2、Φ3—的无量纲系数。

（21）

令：

则：

将上述相关公式代入式（11）得：

（22）

整理得：

令：

则：

（23）

解线性方程组式（23），可确定各排锚索拉力Rj。

5.2.3锚索间距的确定

锚索间距应以所设计的锚固力能对地基提供最大的张拉力为标准。

锚索间距宜采用3~6m，最小不应小于1.5m。

5.2.4锚固段长度的确定

锚索的锚固段长度可按下列公式计算，采用lsa、la中的大值，通常选取4~10m。

（1）按水泥砂浆与锚索张拉钢材黏结强度确定锚固段长度lsa，即

（24）当锚索锚固段为枣核状时，

（2）按锚固体与孔壁的抗剪强度确定锚固段长度la，即

（25）

5.3桩身内力计算

目前，在抗滑桩设计计算中，普遍采用地基系数法。

该方法由于对滑动面上下地基系数的假定不同，可分为“m-m”法、“m-k”法、“k-k”法、“双参数”法等[30]。

一般桩身内力计算又可分为受荷段内力和嵌固段内力计算[31-32]。

5.3.1受荷段内力计算

受荷段地层抗力按设桩处桩前土体的剩余抗滑力计算，为已知力，桩前滑体所提供的抗力作为外力来考虑的全埋式桩，仅考虑滑面以下岩土体的弹性抗力，故受荷段内力计算按静力学方法计算。

计算示意图见图18。

图18受荷段内力计算示意图

（26）

式中：

QA—滑动面处桩截面的剪力（kN）；

MA—滑动面处桩截面的弯矩（kN·m）。

5.3.2嵌固段内力计算

桩受力后总要产生一定的变形。

所谓变形是指桩与地基土的相对位置发生了变化。

桩的变形分两种，一种是桩的位置发生变化，但桩轴线仍保持原来线形，这种桩在地基中犹如刚体一样只作平面运动，称为“刚性桩”。

另一种桩的位置发生了偏离，同时桩轴线型也发生改变，这种变形形式的桩称为“弹性桩”。

在进行桩的内力计算前，首先应先判别桩是刚性桩还是弹性桩[5]。

（1）按“K”法计算

当βh2≤1时，属于刚性桩；

当βh2＞1时，属于弹性桩。

式中：

β一桩的变形系数，m-1，其值为：

（27）

式中：

K—地基的弹性系数；

EI—桩的抗弯刚度；

h2—滑动面下的桩长（m）；

BP—桩的计算宽度（m）。

（2）按“m”法计算

当αh2≤2.5时，属于刚性桩；

当αh2＞2.5时，属于弹性桩。

式中：

α一桩的变形系数，m-1，其值为：

（28）

式中：

m一基随高度变形的比例系数；其余符号同前。

（3）按“双参数”法计算

当αh2≤2.5时，属于刚性桩；

当αh2＞2.5时，属于弹性桩。

式中：

α一桩的变形系数，m-1，其值为：

（29）

5.3.2.1按刚性桩计算

当桩受到QA和MA的作用后，将产生Δφ角度的转动，其转动中心距滑面的距离为y0，嵌固段地层地基系数为K，计算图式见图19。

按静力平衡法计算嵌固段内力，公式如下：

（30）

其中：

（31）

图19刚性桩锚固段内力计算图式

5.3.2.2按弹性桩计算

弹性抗滑桩在滑坡推力作用下，不仅发生转动，也发生挠曲变形，因此其内力不能通过静力平衡法计算内力。

计算图式见图20，嵌固段内力计算应按如下公式计算：

（32）

其中：

K法影响函数值计算如式（33），滑动面处的xA、φA的确定与桩底的支承条件有关，当桩底的支承条件为自由支承即MB=0，QB=0时，xA、φA按式（34）计算。

a（33）

式中：

y一滑动面下任一桩截面距滑面的距离（m），取值范围为（0，h2）。

（34）

式中：

φ1、φ2、φ3、φ4一分别为A1、B1、C1、D1在y=h2时的值，按式（35）计算。

（35）

图20弹性桩嵌固段内力计算图式

6预应力锚索桩的施工

6.1抗滑桩施工

预应力锚索抗滑桩的桩身可以采用大直径的钻孔桩，亦可以采用挖孔桩，还可以采用钻孔桩组成的排架桩。

滑桩施工工序如下：

场地平整→测量放样→